Procesos de Separación II IEST - Anáhuac
DESTILACIÓN MÉTODO McCABE-THIELE columna de fraccionamiento fraccionamiento continuo para separar separar 30 000 kg/h de una mezcla mezcla 1. Se va a diseñar una columna de 40% de benceno y 60% de tolueno en un producto destilado que contiene 97% de benceno y un producto residual de 98% de tolueno. Estos porcentajes están expresados en peso. Se utilizará utilizará una relación de reflujo de 3.5 moles por 1 mol de producto. Los calores latentes molares del benceno y del tolueno son 7 360 y 7 960 cal/mol, respectivamente. El benceno y el tolueno forman un sistema ideal con una volatilidad relativa del orden de 2.5. La alimentación tiene una temperatura de ebullición de 95°C a la presión de 1 atm. Los datos de equilibrio se muestran muestra n a continuación:
T (°C)
x
y
T (°C)
x
y
110.40 109.60 107.90 106.20 104.60 102.95 101.40 99.90 98.50 97.20 94.60 93.35
0.0000 0.0200 0.0600 0.1000 0.1400 0.1800 0.2200 0.2600 0.3000 0.3400 0.4200 0.4600
0.0000 0.0455 0.1320 0.2090 0.2800 0.3440 0.4040 0.4585 0.5075 0.5555 0.6400 0.6790
92.20 91.10 90.05 89.00 88.00 86.95 86.00 85.00 84.10 83.20 81.45 80.30
0.5000 0.5400 0.5800 0.6200 0.6600 0.7000 0.7400 0.7800 0.8200 0.8600 0.9400 1.0000
0.7140 0.7470 0.7765 0.8054 0.8305 0.8545 0.8785 0.9005 0.9215 0.9405 0.9765 1.0000
a. Calcule los moles de los productos destilados y residuales por hora. b. Determine el número de platos ideales y la posición del plato de alimentación si: i. La alimentación es un líquido a su temperatura de ebullición. ii. La alimentación es un líquido a 20°C (calor específico = 0.44 cal/g°C) iii. La alimentación alimentación es una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de líquido. c. Si para el calentamiento calentamie nto se utiliza vapor de agua a la presión manométrica de 20 psig con un calor latente de vaporización de 939 BTU/lb, ¿qué cantidad de vapor se requiere por hora para cada uno de los tres casos anteriores, despreciando las pérdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido saturado? d. Si el agua agua de enfriamiento enfriamien to entra en el condensador a 25°C y sale a 40°C, ¿qué cantidad de agua de enfriamiento será necesaria, en metros cúbicos por hora?
2. Se va a diseñar una columna de destilación fraccionada para que opere en forma continua a presión atmosférica en la separación de 8 000 lb/h de una mezcla que contiene 15.7% de disulfuro de carbono y 84.3% de tetracloruro de carbono. carbono. Se requiere obtener un destilado destilado que contenga 91% de disulfuro de carbono y un residuo que contenga 97.3% de tetracloruro de de carbono. Todos los porcentajes porcentajes están expresados expresados en base másica. La mezcla de alimentación alimentació n va a entrar a la columna como líquido saturado y se va a utilizar una relación de reflujo equivalente a 1.3 veces la relación de reflujo mínima. Los datos de equilibrio se encuentran tabulados a la derecha. Encontrar: a. Los flujos de destilado y residuo. residuo. b. El número de platos ideales y el plato alimentador. c. Los flujos de líquido y vapor dentro de la columna.
x
y
0.0000 0.0296 0.0615 0.1106 0.1435 0.2585 0.3908 0.5318 0.6630 0.7574 0.8604 1.0000
0.0000 0.0823 0.1555 0.2660 0.3325 0.4950 0.6340 0.7470 0.8290 0.8780 0.9320 1.0000
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3. Una mezcla equimolar heptano-octano entra como alimentación en un plato intermedio de una columna de rectificación rectificación que trabaja a la presión presión atmosférica normal. normal. Se desea obtener un producto producto destilado que contenta 98% mol de heptano y un producto de colas que solo ha de contener 5% mol de heptano. La alimentación entra en la columna a su temperatura temperatur a normal de ebullición. El vapor procedente del plato 1 entra en el condensador de reflujo, que en esta columna es un condensador total; una parte del condensado vuelve a la columna a su temperatura de condensación y otra sale como producto destilado, de tal modo que la relación entre el líquido que retorna y el vapor que llega es L/V = 3/4. Determínese el número de platos teóricos teóricos necesarios y la posición posición del plato plato de alimentación. alimentación . Los datos de equilibrio se muestran a continuación:
T (°C)
P’A (mm
98.4 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 122 124 125.6
Hg)
P’B (mm
760 795 841 890 941 993 1049 1104 1165 1228 1296 1368 1442 1528 1593
Hg)
377 356 380 406 429 452 479 510 540 574 609 647 687 729 760
4. Se emplea una columna de destilación para separar acetona de etanol. Se desea producir un destilado cuya concentración sea de 0.9 fracción mol de acetona y un residuo de 0.13 fracción mol de acetona. Si la composición de la alimentación es de 0.3 fracción mol de acetona y se opera la columna ̅/ B = 1. Los datos de equilibrio de tal forma que se tengan las siguientes relaciones: L/V = 0.8 y V para la acetona y el etanol a 1 atm son: x y
0.00 0.00
0.10 0.262
0.15 0.348
0.20 0.417
0.25 0.478
0.30 0.524
0.35 0.566
0.40 0.605
0.50 0.674
0.60 0.739
0.70 0.802
0.80 0.865
0.90 0.929
1.00 1.00
a. Deduce las ecuaciones de las líneas de operación de las secciones de enriquecimiento y agotamiento. b. Encuentra Encuentr a analítica y gráficamente gráficame nte el punto de intersección intersec ción de las líneas de operación de enriquecimiento y agotamiento, y utilízalo para deducir la ecuación de la línea de operación de la alimentación. alimentación. c. Calcula el valor q, ¿cuál es la condición térmica de la alimentación? d. ¿Cuántas veces es mayor la relación de reflujo utilizada en esta columna que la mínima? e. Encuentra Encuentr a la posición del plato de alimentación y el número de etapas teóricas para esta columna. f. Si la eficiencia es de 0.75, ¿cuántas ¿cuántas etapas reales se necesitan? necesitan? g. Si se alimentan alimentan 100 kg de mezcla, mezcla, ¿cuántos kg de acetona se recuperan recuperan por el destilado y a qué porcentaje de la acetona alimentada corresponde?
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5. La volatilidad relativa media de un sistema binario es 2. Una mezcla con 40% en moles de componente volátil se alimenta a una columna continua como líquido a su temperatura de ebullición. Se desea separar la mezcla en dos fracciones, cada una de ellas con 90% de un componente, como mínimo. Calcular: a. La relación de reflujo mínima. b. Con una relación de reflujo dos veces la mínima, calcular: ̅ referidos a 100 mol de alimentación. i. Los caudales de D, B, L, ̅L, V , V ii. El número de pisos teóricos necesarios y la posición del de alimentación. iii. Si la eficacia eficacia global es del 70%, 70%, calcular el número de pisos reales reales necesarios. necesarios.
6. Se proyecta una columna de destilación continua para separar 20 000 kg/h de una mezcla cloroformobenceno cuya composición es 0.35 en fracción molar de cloroformo, para suministrar un producto de cabeza de composición 0.97 en fracción molar de cloroformo y un producto de cola de composición 0.97 en fracción molar de benceno. La columna ha de trabajar a la presión atmosférica normal, y la alimentación alimentació n entrará a 16°C. La temperatura de ebullición del flujo de alimentación es de 76.8°C. Calcúlese: a. Los caudales de alimentación, producto de cabeza y producto de cola, en kmol/h. b. El número de platos teóricos y la posición del plato de alimentación, alimentación , si la relación de reflujo es 3.4 veces la mínima. c. Consumo por hora de agua de refrigeración refrigera ción en el condensador, condensador , si el agua entra a 16°C y sale a 45°C. d. Consumo por hora hora de vapor de calefacción calefacción en la caldera caldera si se dispone de vapor saturado a 1.5 atm de presión absoluta de 532 kcal/kg de calor latente de vaporización. Los datos del equilibrio cloroformo-benceno a la presión atmosférica, son los que se incluyen en la siguiente tabla. Dentro del intervalo intervalo de temperaturas de operación, pueden pueden tomarse los siguientes valores medios para los calores específicos y para los calores latentes: Cloroformo = 0.23 kcal/kg°C y = 6 800 800 kcal kcal/k /kmo moll; benceno = 0.44 kcal/k kcal/kg°C g°C y = 7 420 420 kcal kcal/k /kmo moll.
T (°C)
x
y
80.6 80.0 79.5 79.1 78.3 77.9 77.1 76.8 75.9 75.3 74.7 73.4 72.9 72.0 71.0 69.8 68.8 66.2 64.1 63.0 61.4
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00
0.0000 0.0630 0.1300 0.2006 0.2722 0.3427 0.4146 0.4848 0.5488 0.6052 0.6586 0.7102 0.7558 0.7966 0.8343 0.8707 0.9047 0.9329 0.9572 0.9794 1.0000
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7. Se cuenta con una columna de destilación para realizar la separación de metanol y agua a 1 atm, cuya información de equilibrio se encuentra en la tabla de la derecha. El flujo de de alimentación alimentación es 100 kmol/h. La alimentación es 55% mol metanol y 45% mol agua. Se desea un producto destilado de composición 90% mol metanol y un producto de fondo de 5% mol metanol. La relación de reflujo es 1.25 y la relación de ebullición, ̅ /B, es igual a 2. Calcula: V a. Los flujos flujos de destilado y producto producto de fondo. b. Las ecuaciones de las líneas operativas de enriquecimiento, enriquecimiento, agotamiento y alimentación. c. El valor q, y la característica de acuerdo con su condición térmica. d. Encuentra Encuentr a el número total de etapas ideales. e. La posición del plato de alimentación. alimentac ión.
T (°C)
x
y
100 96.4 93.5 91.2 89.3 87.7 84.4 81.7 78.0 75.3 73.1 71.2 69.3 67.6 66.0 65.0 64.5
0 2 4 6 8 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 95 100
0 13.4 23.0 30.4 36.5 41.8 51.7 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87.0 91.5 95.8 97.9 100.0
benceno-t olueno en una torre fraccionadora a 101.3 kPa de 8. Se desea destilar una mezcla líquida de benceno-tolueno presión. La alimentación de 50 kmol/h es líquida y contiene 45% mol de benceno y 55% mol de tolueno, y entra a 130°F. El punto de ebullición de la alimentación es de 366.7 K. También se desea obtener un destilado que contenga 95% mol de benceno y 5% mol de tolueno y un residuo que contenga 10% mol de benceno y 90% mol de tolueno. La relación de reflujo es 4. La capacidad calorífica promedio de la alimentación es 159 kJ/kmol°C y el calor latente promedio es 13 800 BTU/lbmol. En la tabla adjunta se incluyen los datos de equilibrio para este sistema. Calcule los flujos de destilado y residuo y el número de platos teóricos que se requieren. Determine además la masa de benceno que se recupera por el destilado y el porcentaje que esto representa del benceno alimentado al sistema de destilación. destilación.
T (°C)
x
y
80.1 85 90 95 100 105 110.6
1 0.780 0.581 0.411 0.258 0.130 0
1 0.900 0.777 0.632 0.456 0.261 0